Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI THỊ DUYÊN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN
TRONG NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI THỊ DUYÊN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN
TRONG NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này
là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian là nghiên cứu sinh.
Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác
công bố. Các thông tin trích dẫn trong luận án là trung thực, được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2019
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường

Bùi Thị Duyên

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Nguyễn Quốc
Cường, TS. Lê Minh Thùy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để trực tiếp hướng
dẫn, định hướng, tạo động lực nghiên cứu và hỗ trợ nghiên cứu sinh về mọi mặt để
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các đồng nghiệp thuộc Khoa Kỹ
thuật điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện
Điện, Phòng Đào tạo, thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ về mặt
chuyên môn và hỗ trợ các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án.
Xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Thông tin vô tuyến, khoa Điện tử Viễn thông,

trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội và TS. Phan Hồng Phương,
phòng thí nghiệm IMEP-LAHC, Đại học Grenoble, Pháp luôn giúp đỡ về đo kiểm
các mẫu anten và các mạch điện tử cho luận án.
Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên nhóm
nghiên cứu thuộc phòng Lab – RF3I, Viện Điện, các bạn bè và đồng nghiệp đã quan
tâm giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian vừa qua.
Cuối cùng, tôi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong
gia đình, những người luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận
án này.

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................... ii
MỤC LỤC..............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC....................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU......................................................................... xii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................. 1
2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án.......................3
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................. 7
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài............................................................................ 8
5. Những đóng góp chính của luận án............................................................... 9
6. Cấu trúc nội dung của luận án....................................................................... 9
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG

NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG........................................ 10
1.1. Tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà........................... 10
Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền thống.........................10
Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten điều khiển búp sóng.............14
Kết luận................................................................................................. 15
1.2. Các cấu hình định vị.................................................................................. 17
Cấu hình tự định vị................................................................................ 17
Cấu hình định vị từ xa........................................................................... 18
1.3. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị.............................................. 18
Đối tượng.............................................................................................. 19
Khối đo tham số vị trí............................................................................ 19
Thuật toán xác định vị trí đối tượng...................................................... 20
Hiển thị vị trí......................................................................................... 21
1.4. Các kỹ thuật định vị................................................................................... 21
Tham số vị trí........................................................................................ 22
Phương pháp định vị.............................................................................. 26
1.5. Anten và anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến ... 39

iii


Anten và anten mảng............................................................................. 39
Anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến..................41
1.6. Kết luận chương 1...................................................................................... 46
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN BA TRẠM TRONG NHÀ. 47
2.1. Giới thiệu chương....................................................................................... 47
2.2. Giải pháp anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt hẹp...............48
Giải pháp thiết kế anten phần tử lưỡng cực mạch in.............................. 48
Thiết kế bộ dịch pha vi dải sử dụng ma trận Butler...............................56
Kết quả anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt hẹp...................62

2.3. Thực nghiệm hệ thống định vị ba trạm sử dụng anten điều khiển búp sóng

dải quạt hẹp....................................................................................................... 70
Cấu hình và hoạt động của hệ thống...................................................... 70
Thử nghiệm các phương pháp định vị................................................... 73
Kết luận và đánh giá hệ thống............................................................... 79
2.4. Kết luận chương 2...................................................................................... 81
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG NHÀ ĐƠN TRẠM
SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG.................................................. 83
3.1. Giới thiệu chương....................................................................................... 83
Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS mảng pha................................... 83
Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp................................ 84
3.2. Giải pháp thiết kế anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt rộng 85
3.3. Giải pháp thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn
87
Anten phân cực tròn sử dụng kỹ thuật quay tuần tự...............................88
Thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn.............95
3.4. Thực nghiệm hệ thống định vị đơn trạm tích hợp anten điều khiển búp
sóng mảng pha dải quạt rộng........................................................................... 97
Cấu hình và hoạt động của hệ thống...................................................... 97
Thử nghiệm các phương pháp định vị................................................... 98
Kết luận và đánh giá hệ thống............................................................. 102
3.5. Thực nghiệm hệ thống đơn trạm tích hợp anten điều khiển búp sóng
chuyển búp phân cực tròn.............................................................................. 105
Cấu hình hệ thống................................................................................ 105
Phương pháp định vị dấu vân tay......................................................... 109
Kết luận và đánh giá hệ thống............................................................. 117
iv

3.6. Kết luận chương 3.................................................................................... 118
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN.............................................................. 120
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..............122
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 123

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt
ANN
AoA
AP
BGI
BW
CSI
DoA
ESPRIT
FNBW
HPBW
IPS
ISM
KNN
LoS
LS
MAC
ML
MSoS
MUSIC

MVDR
NICs
PoA
QPD
RB
RF
RFID
RP
RSS
RSSI

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Artificial Neural Networks
Angle of Arrival
Access Point
Bilateral Greed Iteration
Bandwidth
Channel State Information
Direction of Arrival
Estimation of Signal Parameters via
Rotational Invariance Technique
First Null Power Beamwidth
Half Power Beamwidth
Indoor Positioning System
Industrial, Scientific and Medical
K-Nearest Neighbors
Line-of-Sight

Least Squares
Medium Access Control
Maximum Likelihood
Minimizes the Sum of Square

Mạng trí tuệ nhân tạo
Góc tới
Điểm truy cập
Lặp tham lam
Độ rộng băng thông
Thông tin trạng thái kênh
Hướng góc tới
Ước lượng tham số tín hiệu dựa
vào kỹ thuật bất biến quay
Độ rộng không đầu tiên
Độ rộng búp sóng nửa công suất
Hệ thống định vị trong nhà
Công nghiệp, khoa học và y tế
K hàng xóm gần nhất
Truyền thẳng
Bình phương tối thiểu
Điều khiển truy cập môi trường
Hợp lý nhất
Tổng bình phương khoảng cách
nhỏ nhất
Multiple Signal Classification
Phân loại tín hiệu đa đường
Minimum Variance Distortionless Đáp ứng không méo phương sai
Response
cực tiểu

Network Interface Cards
Bo mạch giao diện mạng
Phase Of Arrival
Pha tới
Quadrature Power Divider
Bộ chia đôi nguồn vuông pha
Router Board
Bộ định tuyến
Radio Frequency
Sóng vô tuyến
Radio Frequency Identification
Định danh bằng sóng điện từ
Remote-Positioning
Định vị từ xa
Received Signal Strength
Cường độ tín hiệu thu
Received Signal Strength Indicator Chỉ số cường độ tín hiệu thu

vi


SFDMA
SR
SSID
SVD
TDoA
ToA
UWB
VSWR
Wi-Fi

WKNN
AĐKBS
CSDL
ĐT
ĐVTX
ĐVTXGT
LC-ĐaH
LC-DâX
LC-ĐiH
TĐV
TĐVGT

Space and Frequency Division
multiple access
Sequential Rotated
Service Set Identifier
Singular Value Decomposition
Time Difference of Arrival
Time of Arival
Ultra-WideBand
Voltage Standing Wave Ratio
Wireless Fidelity
Weighted K-nearest neighbor

Đa truy cập theo không gian và tần
số
Quay tuần tự
Mã định danh dịch vụ
Phân tích giá trị riêng
Độ lệch thời gian tới

Thời gian tới
Băng thông siêu rộng
Tỷ số điện áp sóng đứng
Truy cập mạng không dây
K hàng xóm gần nhất có trọng số
Anten điều khiển búp sóng
Cơ sở dữ liệu
Đối tượng
Định vị từ xa
Định vị từ xa gián tiếp
Lưỡng cực mạch in đa hướng
Lưỡng cực mạch in dẫn xạ
Lưỡng cực mạch in định hướng
Tự định vị
Tự định vị gián tiếp

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
TT

Ký hiệu

1

k

Hệ số sóng trong không gian tự do (k = 2π/λ)

2
3
4
5
6

εr
εeff
θ
ϕ
α

Hằng số điện môi
Hằng số điện môi hiệu dụng
Góc quay búp sóng
Góc phương vị
Hệ số tổn hao

7

∆φ

Góc lệch pha

8

Bước sóng trong không gian tự do

9

λ
λg

10

β

Hệ số sóng trong môi trường (β = 2π/λg)

11
12
13

φ
Z0

Pha ban đầu
Trở kháng đặc trưng của đường truyền
Tham số ước lượng

14

(.)

15
16

(.)
Σ

17

Γ

⋅

Mô tả

Bước sóng trong môi trường

T

Ma trận chuyển vị

-1

Ma trận nghịch đảo
Tổng
Hệ số phản xạ

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hình ảnh khái quát về hệ thống định vị vô tuyến trong nhà 2012-2017. . 13
Hình 1.2: Tổng hợp các hệ thống định vị vô tuyến tiêu biểu sử dụng anten truyền
thống và anten điều khiển búp sóng những năm gần đây........................................ 16
Hình 1.3: Phân loại hệ thống định vị dựa trên cấu hình hệ thống định vị vô tuyến . 17
Hình 1.4: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị vô tuyến..............................18
Hình 1.5: Khối đo tham số vị trí.............................................................................. 19

Hình 1.6: Các kỹ thuật định vị được sử dụng trong luận án.................................... 21
Hình 1.7: Mô hình truyền sóng tồn tại hiệu ứng đa đường...................................... 23
Hình 1.8: Xác định vị trí đối tượng dựa vào hai góc tới thu được từ hai trạm.........25
Hình 1.9: Định vị dựa vào góc của tín hiệu tới khi tồn tại sai lệch..........................26
Hình 1.10: Xác định vị trí đối tượng trong hệ định vị hai chiều..............................27
Hình 1.11: Các trường hợp có thể xảy ra ở phương pháp giao khoảng cách ba trạm
28
Hình 1.12: Các trường hợp có thể xảy ra giữa hai đường tròn................................30
Hình 1.13: Xác định điểm thứ hai trong thuật toán BGI là M2................................ 30
Hình 1.14: Thuật toán MinMax xác định vị trí đối tượng từ bốn trạm....................31
Hình 1.15: Hệ định vị dựa vào khoảng cách và hướng sóng tới.............................. 31
Hình 1.16: Hệ định vị theo phương pháp dấu vân tay............................................. 33
Hình 1.17: Sơ đồ hướng bức xạ và góc lệch pha giữa các phần tử trong mảng.......40
Hình 1.18: Sơ đồ khối của AĐKBS chuyển búp N phần tử..................................... 43
Hình 1.19: Sơ đồ khối của anten điều khiển búp sóng mảng pha với N phần tử.....45
Hình 2.1: Lưỡng cực mạch in tiếp điện trung tâm và lưỡng cực dây tương đương . 49
Hình 2.2: Cấu trúc anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng.......................................49
Hình 2.3: Cấu trúc của anten LC-ĐaH tích hợp balun hình chữ “J” và sơ đồ tương
đương của balun...................................................................................................... 50
Hình 2.4: Kết quả mô phỏng, đo của hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐaH
51
Hình 2.5: Hình ảnh anten LC-ĐaH được chế tạo.................................................... 51
Hình 2.6: Cấu trúc của anten LC-ĐiH và hình ảnh chế tạo..................................... 52
Hình 2.7: Hệ số S11 mô phỏng, đo và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐiH................53
Hình 2.8: Hình ảnh nguyên lý và chế tạo của anten LC- DâX................................. 54
Hình 2.9: Hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC- DâX tại dải tần 2,45GHz.....54
Hình 2.10: Cấu trúc anten LC-DâX nhiều chấn tử dẫn xạ và hệ số S11 của các anten
lưỡng cực tại dải tần 5GHz...................................................................................... 55
Hình 2.11: Giản đồ bức xạ của các anten LC-ĐaH, LC-ĐiH, LC-DâX gồm 2, 8 chấn
tử dẫn xạ tại dải tần 5GHz....................................................................................... 56

ix


Hình 2.12: Cấu trúc chung của ma trận dịch pha Butler N×N................................. 56
Hình 2.13: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận Butler với N = 4............................ 57
Hình 2.14: Cấu trúc của bộ QPD và cầu nối chéo................................................... 58
Hình 2.15: Các tham số S và độ lệch pha giữa 2 cổng ra của bộ QPD....................58
Hình 2.16: Cấu trúc bộ dịch pha 45º và kết quả mô phỏng của đường vi dải..........59
Hình 2.17: Cấu trúc của ma trận Butler 4×4 thiết kế và tham số S mô phỏng.........60
Hình 2.18: Kết quả các tham số truyền qua và độ lệch pha giữa các đầu ra............61
Hình 2.19: Hình ảnh AĐKBS mảng pha được chế tạo và đo kiểm.......................... 62
Hình 2.20: Kết quả mô phỏng và đo bộ tham số S của AĐKBS đề xuất.................62
Hình 2.21: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS...........................63
Hình 2.22: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận dịch pha Butler 8×8......................64
Hình 2.23: Cấu trúc của ma trận Butler 8×8 đã thiết kế và tham số S mô phỏng....65
0

Hình 2.24: Cấu trúc của bộ dịch pha lai 90 và cầu nối thu nhỏ kích thước............66
Hình 2.25: Kết quả mô phỏng các tham số của bộ QPD.........................................66
Hình 2.26: Kết quả mô phỏng các tham số của bộ cầu nối chéo.............................66
Hình 2.27: Kết quả mô phỏng độ lệch của các bộ dịch pha 22,5 °; 45° và 67,5°.......67
Hình 2.28: Anten điều khiển búp sóng mảng pha sử dụng ma trận Butler 8×8.......67
Hình 2.29: Kết quả mô phỏng và đo tham số S của AĐKBS đề xuất......................68
Hình 2.30: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS...........................69
Hình 2.31: Hệ định vị ba trạm sử dụng mạng cảm biến không dây.........................70
Hình 2.32: Các loại nút cảm biến được sử dụng trong hệ thống định vị ba trạm.....71
Hình 2.33: Hình ảnh hệ thống định vị triển khai tại sảnh tầng 4-C1-ĐHBK Hà Nội
72
Hình 2.34: Vùng khảo sát và lưới điểm chuẩn 9×9................................................. 72

Hình 2.35: Biểu đồ trình tự hoạt động của mạng cảm biến không dây....................72
Hình 2.36: Lưu đồ thuật toán bình phương tối thiểu (a) và thuật toán BGI (b).......74
Hình 2.37: Hàm phân phối sai số của hệ thống định vị dựa trên phương pháp giao
khoảng cách với các kịch bản và thuật toán khác nhau........................................... 74
Hình 2.38: Phương pháp giao góc dựa trên tham số RSSI lớn nhất......................... 75
Hình 2.39: Hàm phân phối sai số của hệ thống khi khảo sát các Delta khác nhau. . 75
Hình 2.40: Lưu đồ thuật toán ước lượng hướng sóng tới MUSIC...........................76
Hình 2.41: Lưu đồ thuật toán của phương pháp RSSI lớn nhất............................... 77
Hình 2.42: Hàm phân phối sai số theo phương pháp giao góc dựa trên thuật toán RSSI
lớn nhất, MUSIC và phương pháp giao khoảng cách BGI...................................... 78
Hình 2.43: Hình ảnh lưới điểm chuẩn và 10 điểm thử trong giai đoạn trực tuyến .. 78
Hình 2.44: Lưu đồ thuật toán dấu vân tay............................................................... 79
Hình 3.1: Vùng phủ của một AĐKBS khi quét theo trục OX.................................. 84
Hình 3.2: Hình ảnh AĐKBS mảng pha dải quạt rộng.............................................. 85
x


Hình 3.3: Kết quả mô phỏng và đo của AĐKBS đề xuất......................................... 86
Hình 3.4: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS.............................86
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của anten phân cực tròn TDAA đề xuất........................88
Hình 3.6: Sơ đồ tương đương của đường tiếp điện 1 vào và 4 ra............................90
Hình 3.7: Sơ đồ tổng thể mạng tiếp điện của anten TDAA..................................... 90
Hình 3.8: Phân bố biên độ và pha của mạng khi không có 2 thanh chêm................92
Hình 3.9: Biên độ đầu ra trung bình thay đổi khi chiều dài và vị trí Stub2 thay đổi 92
Hình 3.10: Biên độ đầu ra trung bình thay đổi khi chiều dài và vị trí Stub1 thay đổi
92
Hình 3.11: Hình ảnh anten TDAA được chế tạo và hệ số S11 của TDAA...............93
Hình 3.12: So sánh kết quả đo và mô phỏng của anten TDAA...............................94
Hình 3.13: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ và AR của TDAA tại 5,8 GHz
94

Hình 3.14: Cấu hình hệ định vị đơn trạm trong phòng............................................ 96
Hình 3.15: Nguyên lý và hình ảnh chế tạo của AĐKBS chuyển búp phân cực tròn 96
Hình 3.16: Hệ số tổn hao do phản xạ, hệ số tương hỗ của các phần tử trong AĐKBS
đề xuất và hình ảnh đo bằng máy phân tích vec-tơ.................................................. 96
Hình 3.17: Hệ định vị đơn trạm sử dụng chuẩn IEEE 802.11.................................. 97
Hình 3.18: Vùng phủ tín hiệu vô tuyến theo trục OX và trục OY...........................98
Hình 3.19: Lưu đồ thuật toán định vị dựa trên WKNN........................................... 99
Hình 3.20: Hệ thống định vị sử dụng AoA............................................................101
Hình 3.21: Lưu đồ thuật toán định vị dựa trên MUSIC.........................................101
Hình 3.22: Sai số định vị 2 chiều của hệ thống với 8 điểm thử với hai phương pháp
102
Hình 3.23: Kịch bản của hệ định vị tại C1-413 Đại học Bách Khoa Hà Nội.........105
Hình 3.24: Lưới điểm chuẩn và vị trí các điểm thử...............................................105
Hình 3.25: Ba trường hợp anten khác nhau được tích hợp cho đối tượng.............106
Hình 3.26: Mật độ RSS thu được khi đối tượng tích hợp anten khác nhau...........107
Hình 3.27: Mật độ RSS thu được ứng với công suất phát khác nhau....................108
Hình 3.28: Hình ảnh các tín hiệu đối tượng nhận được trong nhà.........................109
Hình 3.29: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận tất định........111
Hình 3.30: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận thống kê.......111
Hình 3.31: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận tất định........113
Hình 3.32: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận thống kê......114
Hình 3.33: Các trường hợp thực nghiệm phương pháp dấu vân tay sử dụng ANN115
Hình 3.34: Mô hình mạng nơ-ron được sử dụng trong trường hợp 1....................115
Hình 3.35: Mô hình mạng nơ-ron được sử dụng trong trường hợp 2....................116
xi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tổng hợp các hệ thống định vị vô tuyến sử dụng AĐKBS......................15
Bảng 1.2: So sánh ba phương pháp và những đặc điểm của chúng trong hệ thống định

vị được khảo sát từ năm 2012 đến năm 2017.......................................................... 38
Bảng 2.1: Các tham số kích thước của anten LC-ĐaH............................................ 51
Bảng 2.2: Các tham số kích thước của anten LC-ĐiH; đơn vị mm.........................53
Bảng 2.3: Các tham số của anten LC- DâX tại 2,45GHz; đơn vị mm.....................54
Bảng 2.4: Các tham số của anten LC-DâX tại 5GHz; đơn vị mm...........................55
Bảng 2.5: Băng thông và hệ số tăng ích của anten LC-DâX khi thay đổi số lượng chấn
tử dẫn xạ (n) tại tần số trung tâm 5GHz.................................................................. 55
Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng độ lệch pha giữa các đầu ra của Butler 4×4..............60
Bảng 2.7: So sánh với các công bố khác có liên quan............................................. 64
Bảng 2.8: Theo nguyên lý độ lệch pha giữa các đầu ra của Butler 8x8...................65
Bảng 2.9: So sánh với các công bố khác trên thế giới............................................. 69
Bảng 2.10: Các kịch bản của hệ thống định vị dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4........71
Bảng 2.11: Sai số định vị của các phương pháp và thuật toán khác nhau; đơn vị m 80
Bảng 2.12: So sánh với các công bố có liên quan trên thế giới...............................80
Bảng 3.1: Giản đồ bức xạ của AĐKBS mảng pha dải quạt rộng.............................87
Bảng 3.2: So sánh với AĐKBS mảng pha đã đề xuất ở chương 2...........................87
Bảng 3.3: Các tham số của mạng tiếp điện.............................................................. 93
Bảng 3.4: Các công bố nghiên cứu anten phân cực tròn dựa trên kỹ thuật SR........94
Bảng 3.5: Kết quả định vị của hai phương pháp AoA và dấu vân tay...................102
Bảng 3.6: So sánh với các công bố có liên quan...................................................103
Bảng 3.7: Kết quả định vị của hai phương pháp AoA và dấu vân tay...................104
Bảng 3.8: Sai số trung bình của hệ thống trong các trường hợp của Kịch bản 1. .. 112
Bảng 3.9: Sai số định vị khi khảo sát mạng ANN trong trường hợp 1..................115
Bảng 3.10: Sai số định vị khi khảo sát mạng ANN trong trường hợp 2................116
Bảng 3.11: Sai số định vị trong trường hợp sử dụng ANN....................................116
Bảng 3.12: Sai số trung bình của hệ thống trong các trường hợp của kịch bản 2. . 117
Bảng 3.13: So sánh với các hệ thống định vị có liên quan....................................118

xii

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ không dây ngày càng phát triển và góp phần làm tăng hiệu quả công việc
trong hầu hết các lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, y tế, an ninh, giao thông vận tải,
viễn thông, giải trí và các dịch vụ khác trong nhà thông minh, thành phố thông minh
giúp nâng cao chất lượng cuộc sống của con người. Thông tin về vị trí đóng vai trò
quan trọng trong các hệ thống kể trên. Bài toán này đang thu hút sự quan tâm của nhiều
nhóm nghiên cứu và các công ty công nghệ trên thế giới với các ứng dụng tiềm năng
như: định vị đồ vật trong văn phòng/siêu thị, hệ thống định vị và dẫn đường cho
người/robot trong tòa nhà, kho bãi, phòng điều trị thông minh,… Các nhà nghiên cứu
đang tập trung để giải quyết bài toán định vị trong nhà nhằm đạt được độ chính xác
cao. Tuy nhiên, môi trường trong nhà là môi trường có nhiều vật cản như: trần, tường,
sàn, vách ngăn, các trang thiết bị/người cố định hay di động,... nơi mà tín hiệu GPS bị
suy giảm. Do đó hệ thống định vị vô tuyến trong nhà gặp nhiều thách thức cần được
giải quyết. Một ứng dụng phổ biến của bài toán định vị dựa trên sóng vô tuyến trong
môi trường trong nhà đó là xác định vị trí của các robot di chuyển hàng hóa, trang thiết
bị trong nhà kho, xưởng, nhà máy hoặc dẫn đường trong bảo tàng, siêu thị, bệnh viện,
trung tâm triển lãm, thư viện, khu liên hiệp thể thao,... Trong các hệ thống nói trên, hầu
hết tất cả các nhiệm vụ mà robot thực hiện thường là những nhiệm vụ xuất phát từ các
câu hỏi như: Tôi ở đâu ? Tôi đang đi đâu ? Tôi làm thế nào để đến được đó ? Như vậy,
yêu cầu thông tin về vị trí robot là cần thiết phải xác định, từ đó có thể trả lời được các
câu hỏi nói trên và dẫn đường cho robot thực hiện các công việc được giao [1-2]. Bệnh
viện là một trong những môi trường mà ở đó ứng dụng định vị có thể được sử dụng để
nâng cao hiệu quả của công tác quản lý như: xác định vị trí bệnh nhân để dẫn đường
cho bệnh nhân đến các vị trí thăm khám, giám sát bệnh nhân nếu điều trị nội trú, định
vị bác sỹ, y tá, trang thiết bị phục vụ để có những hỗ trợ kịp thời trong trường hợp khẩn
cấp [3-4]. Tiếp theo là các trung tâm thương mại: việc cập nhật hàng hóa, phân loại, vị
trí sản phẩm trong trung tâm thương mại hoặc xác định vị trí của khách hàng, từ đó
phát thông tin quảng bá sản phẩm và chế độ ưu đãi phù hợp, dựa trên vị trí giữa khách

hàng và sản phẩm hàng hóa được dự đoán được khách hàng quan tâm. Tương tự như
vậy, việc xác định vị trí phòng, địa điểm cần đến trong các bảo tàng, thư viện, hoặc
những tòa nhà rộng và không thân thuộc với những người lạ, người già, người có trí
nhớ kém hoặc người khuyết tật (người khiếm thị, người câm, người khó khăn với việc
đi lại) hay trẻ em, từ đó định hướng

1


dẫn đường để người dùng tìm tới đích với thời gian ngắn nhất sẽ mang lại sự thuận tiện
và thoải mái cho người dùng. Ngoài ra, việc xác định vị trí các đồ vật trong nhà dễ thất
lạc như: chìa khóa, kính hay vật nuôi trong nhà cũng được Nokia nghiên cứu từ những
năm 2000 [5]. Với nhu cầu đó, hàng loạt các tập đoàn lớn như Apple, Google hay
Microsoft, Fujitsu, Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia Nhật Bản
(NICT),… hay các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, tham gia đầu tư nghiên cứu
ứng dụng định vị trong nhà. Theo báo cáo nghiên cứu của IDTechEx, triển vọng của hệ
thống định vị trong nhà dựa trên điện thoại di động và hệ thống định vị thời gian thực
được áp dụng cho nhiều lĩnh vực từ năm 2014 tới năm 2024. Trong đó, y tế 61% và các
ngành khác như công nghiệp, nông nghiệp, bán hàng, logistics, nhà tù, quân đội, hầm
mỏ, giáo dục [6]. Theo dự báo của công ty nghiên cứu thị trường hàng đầu của Mỹ phát
biểu trong giai đoạn 2017-2022 thị trường dịch vụ dựa trên vị trí trong lĩnh vực IoT sẽ
phát triển vượt bậc. Những tập đoàn như: Cisco, Google , Alcatel-Lucent SA, AT & T,
International Business Machines Corporation, Qualcom, Microsoft Corporation, Oracle
Cor-poration, Apple và Bharti Airtel, LTD sẽ tham gia thị trường dịch vụ dựa trên vị trí.
Tờ Briteyellow báo cáo mới ước tính rằng thị trường phần mềm định vị trong nhà có
thể đạt mức tăng trưởng + 42% vào năm 2022. Theo Medium số lượng người sử dụng
dùng thiết bị di động tích hợp hệ thống phục vụ dựa trên vị trí trong những năm 2013 là
123 tỉ người sử dụng và đã tăng lên 242 tỉ người sử dụng tính đến 2018 [7].
Từ những nhu cầu lớn của thị trường, các hệ thống định vị trong nhà được nghiên
cứu và phát triển với nhiều công nghệ, kỹ thuật và phương pháp khác nhau. Tiêu biểu

được biết đến như: sóng vô tuyến RF, camera, hồng ngoại, sóng âm và ánh sáng nhìn
thấy (VSL-Visible light). Mỗi công nghệ này có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Tuy nhiên, sóng vô tuyến (Radio Frequency-RF) là công nghệ được nói tới đầu tiên
trong các hệ thống định vị trong nhà do sự phổ biến của các thiết bị vô tuyến trong đời
sống ngày nay. Các bộ thu-phát sóng vô tuyến được tích hợp trong hầu hết các trang
thiết bị thông thường đặc biệt là trong các nhà thông minh, thành phố thông minh hay
trong các khu vực công cộng, du lịch, trường học. Đặc điểm nổi bật của sóng vô tuyến
là khả năng xuyên qua hầu hết các vật. Để minh chứng cho xu thế và nhu cầu định vị
dựa trên công nghệ sóng vô tuyến, nhóm nghiên cứu với tác giả chính Christian
Esposito trong [8] đã khảo sát: công nghệ sóng RF chiếm tỷ lệ lớn 66% (Wi-Fi 24%;
Bluetooth 17%; Zigbee 8%; UHF 4%; RFID 7%; kết hợp 6%), công nghệ hồng ngoại
9%, công nghệ UWB 6%, GPS 4%, công nghệ ảnh 1%, công nghệ từ trường 1%. Cùng
với sự phát triển về cơ sở hạ tầng hỗ trợ truyền thông không dây,

2


mọi nơi đều có sóng vô tuyến. Do vậy, vấn đề truyền thông không dây và vấn đề
định vị dựa trên sóng vô tuyến có mối quan hệ ràng buộc hỗ trợ mật thiết với nhau
[2]. Các công nghệ truyền thông không dây phổ biến hiện nay cho đại đa số các
thiết bị điện tử cố định và di động gồm: Wi-Fi, Bluetooth, RFID, Zigbee, UWB.
Trên cơ sở đó, các hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến được đề xuất
và phát triển dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có [9-13]. Để nâng cao độ chính xác trong
định vị, các hệ thống thường sử dụng kết hợp công nghệ RF với các công nghệ khác
hoặc kết hợp với các cảm biến như: Con quay hồi chuyển, cảm biến từ, cảm biến
bước chân, cảm biến gia tốc, cảm biến hướng, la bàn,… [14-15]. Tóm lại, định vị
trong nhà nói chung và định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến nói riêng luôn là
bài toán đóng vai trò quan trọng và có ý nghĩa cho các hệ thống, ứng dụng trong đời
sống. Vì vậy, luận án này tập trung vào nghiên cứu, xác định vị trí của đối tượng
trong nhà sử dụng sóng vô tuyến có mặt ở khắp nơi trong môi trường sống hàng

ngày như sóng Wi-Fi, Zigbee hoặc Bluetooth.

2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án
Xuất phát từ nhu cầu thực tế của hệ thống định vị như đã trình bày ở trên, định vị
đối tượng trong nhà dựa trên sóng vô tuyến đã được nghiên cứu triển khai từ những
năm 1993 [16], phát triển mạnh vào giai đoạn từ 2010 đến 2015, và đến nay vẫn
đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Các thách thức chung mà hầu
hết các hệ thống định vị trong nhà đang gặp nhiều thách thức bao gồm:
-

Độ chính xác định vị, độ chính xác định vị thường được đánh giá là sai số
định vị trên vùng không gian định vị.
Độ ổn định của hệ thống.
Giá thành hệ thống và tính phức tạp khi triển khai hệ thống.
Thời gian đáp ứng của hệ thống.
Mô hình hóa lan truyền sóng vô tuyến với môi trường trong nhà cũng như khả
năng mở rộng vùng định vị.

Trong đó, độ chính xác, giá thành và khả năng dễ triển khai hệ thống là những
vấn đề được quan tâm hàng đầu, để đánh giá tính khả thi của giải pháp cho ứng
dụng trong thực tế.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống định vị trong nhà đã được nghiên cứu từ
những năm 2013 tới nay. Điển hình là nhóm nghiên cứu tại Viện MICA, trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội kết hợp với các nhà nghiên cứu tại Cộng hòa Pháp, đã công bố
các kết quả định vị trong nhà dựa trên sóng Wi-Fi sử dụng phương pháp dấu

3


vân tay kết hợp với công nghệ nhận dảng ảnh từ Camera trong [17]. Ngoài hai công

nghệ chính nói trên, việc triển khai sử dụng thêm cảm biến chuyển động, cảm biến
đếm bước chân và thông số bản đồ tòa nhà ở [18] đã giúp nhóm nghiên cứu định vị
với sai số trung bình là 1,59m trên cùng định vị hành lang không vật cản. Tuy nhiên
ý tưởng chính của hệ là sử dụng kết hợp thêm các cảm biến góc quay, cảm biến vị
trí, mô hình bản đồ, bước chân chứ không dựa trên việc thay đổi thiết kế phần cứng
hay thuật toán. Nhóm nghiên cứu trường Đại học Công nghiệp công bố kết quả định
vị trong nhà sử dụng phương pháp dấu vân tay sử dụng mô hình C-GMM [19].
Phương pháp định vị dấu vân tay dựa trên công nghệ Wi-Fi, tham số RSS vẫn là tư
tưởng chung, nhưng có kết hợp thêm mô hình Gausian Mixture Model-GMM để
giảm sai số định vị đang được nhóm nghiên cứu khoa Điện-Điện tử trường Đại học
Công nghệ kết hợp với nhóm nghiên cứu khoa Điện-Điện tử trường Đại học Công
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội phát triển nghiên cứu [20]. Nhóm nghiên cứu tập
trung chủ yếu đến đề xuất cải tiến thuật toán trong giai đoạn huấn luyện giúp cải
thiện độ chính xác, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô phỏng mà
chưa được tiến hành triển khai thực nghiệm nhiều để tăng độ tin cậy của phương
pháp. Một điểm chung là các nghiên cứu nói trên đều sử dụng các bộ thu phát vô
tuyến tích hợp sẵn anten đẳng hướng và sử dụng phương pháp dấu vân tay với yêu
cầu phải có giai đoạn thu thập cơ sở dữ liệu trong giai đoạn ngoại tuyến. Đã triển
khai và giải quyết bài toán định vị trong nhà từ năm 2014, nhóm nghiên cứu thuộc
Viện Điện của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tiến hành đo và đặc tính hóa
suy hao trên kênh truyền tín hiệu RFID trong nhà ở dải tần UHF trong công bố về
hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ RFID [21], trong đó cho thấy việc sử
dụng anten phân cực tròn cho đầu đọc hoặc thẻ RFID giúp tăng chất lượng truyền
nhận tín hiệu. Bên cạnh đó, việc đề xuất hệ thống định vị đa anten và phương pháp
tam giác đạc đã được nhóm nghiên cứu triển khai sử dụng và cho kết quả khả thi
[22]. Các nghiên cứu này cho thấy tiềm năng của việc triển khai một hệ thống định
trong nhà dựa trên sóng vô tuyến sử dụng phương pháp dấu vân tay, phương pháp
tam giác đạc với anten phù hợp trên nền tảng phần cứng có sẵn.
Trên thế giới, hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến được phát triển từ
thập niên 90 như hệ thống cảnh báo DALS dành cho các cai ngục trong nhà giam ở

Cannada [16], dự án E911 định vị số thuê bao của Mỹ [23]. Đầu thế kỷ 20, các hệ
thống định vị trong nhà được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và phát triển.
Các hệ thống liên tiếp ra đời như PinPoint 3D-iD, SPOT ON, LANDMARC, RADAR,
Horus, Ekahau, AeroScout, Ubisence [24-32], các hệ thống chủ yếu dùng phương pháp
dấu vân tay dựa trên các bộ truyền nhận không dây phổ biến trên thị trường hoặc thiết
bị thiết kế riêng của hãng tích hợp anten đẳng hướng hoặc định hướng, sai số vị trí vào
khoảng 1÷ 3m. Ưu điểm của các hệ thống này là dễ triển khai,
4


các trạm đóng vai trò như những điểm truy cập WiFi theo chuẩn IEEE 802.11 có
tích hợp thêm chức năng định vị đối tượng nhằm định hướng, dẫn đường phục vụ
cho một hệ thống lớn như: bệnh viện, sân bay, siêu thị, bảo tàng,... Các giải pháp để
nâng cao độ chính xác cho hệ thống đã được sử dụng và công bố, có thể liệt kê như:
-

Giải pháp tăng số trạm: điều này làm tăng giá thành hệ thống, cấu hình và tính
toán phức tạp.
- Giải pháp cải thiện các thuật toán xác định vị trí, dùng các thuật toán lọc dữ
liệu như Kalman hay Practicle [33], [34] với khối lượng tính toán phức tạp
cần áp dụng trên máy chủ có cấu hình cao.
- Giải pháp kết hợp sóng vô tuyến với các cảm biến như con quay hồi chuyển,
gia tốc, cảm biến từ, la bàn, cảm biến hướng để tăng thêm độ chính xác trong
quá trình xác định vị trí đối tượng di động [33], [35-36].
- Sử dụng công nghệ UWB cho độ chính xác đạt tới cm, tuy nhiên vùng định vị
hẹp đồng thời mạch thu phát công nghệ UWB giá thành rất cao [30], [32], [37]
là các hạn chế của công nghệ này.
Hiện nay, ý tưởng hệ thống định vị trong nhà sử dụng anten định hướng cao và có
khả năng điều khiển búp sóng theo các hướng mong muốn trong các bộ thu phát tín
hiệu vô tuyến giúp tăng độ chính xác ước lượng vị trí, giảm giá thành hệ thống đến

mức phù hợp, tăng khoảng cách truyền tín hiệu vô tuyến, vượt qua chướng ngại vật,
tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu giữa thu và phát. Đây là một giải pháp rất tiềm năng
mà cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu phát
triển [38-47]. Anten điều khiển búp sóng (AĐKBS) thường được thiết kế dựa trên
nguyên lý chuyển mạch búp sóng hoặc nguyên lý anten mảng pha đã và đang được
các nhà nghiên cứu tập trung phát triển cho hệ thống định vị trong nhà bởi ưu điểm
về độ chính xác và tính đơn giản của hệ thống mà nó mang lại. Để đáp ứng các
thách thức cho hệ thống định vị trong nhà nói chung như: độ chính xác cao, thời
gian định vị nhanh, cấu hình và việc xây dựng cơ sở dữ liệu đơn giản, vùng định vị
rộng, dễ lắp đặt thay thế, triển khai được trên nền tảng cơ sở hạ tầng có sẵn do tính
phổ dụng của các công nghệ không dây như Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth được sử dụng
phổ biến trong xu hướng nhà thông minh, thành phố thông minh. Luận án tập trung
vào việc nghiên cứu và đề xuất các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà,
dựa trên các công nghệ không dây kể trên sử dụng AĐKBS tại các dải tần dùng
chung ISM từ 2,4 ÷ 2,5 GHz và 5,17 ÷ 5,875 GHz theo các nội dung chính như sau:
Một là, nghiên cứu lựa chọn các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà
phù hợp.
Tùy vào từng hệ thống cụ thể, phụ thuộc vào đặc điểm cơ sở hạ tầng của vùng định
vị, diện tích vùng định vị, thời gian định vị, môi trường định vị để có lựa chọn cách
5


lắp đặt trạm, số trạm tích hợp AĐKBS, đặc trưng của AĐKBS phương pháp định vị,
thuật toán định vị và cách triển khai phù hợp. Từ đó tiến hành thực nghiệm và đưa
ra kết quả đánh giá phân tích lựa chọn thuật toán hợp lý cho các hệ thống định vị đề
xuất.
Hai là, nghiên cứu thiết kế các AĐKBS đạt được búp sóng hẹp theo phương quét,
cải thiện hiệu suất, hệ số tăng ích, băng thông, đặc biệt dễ chế tạo và dễ tích hợp
vào hệ thống.
Với các yêu cầu trên AĐKBS mảng pha là lựa chọn thích hợp. Tuy nhiên, để đạt

được búp sóng hẹp, số phần tử trong mảng phải đủ lớn dẫn đến sự phức tạp trong
mảng cũng như trong thiết kế bộ dịch pha. Các công bố [48-53] anten phần tử tấm
được sử dụng với ưu điểm đơn giản trong thiết kế, dễ chế tạo tuy nhiên búp sóng
dạng bút, hiệu suất bức xạ thấp và thường tiếp điện kiểu cáp đồng trục do vậy ghép
không đồng phẳng với mạch dịch pha làm giảm hiệu suất chung cho AĐKBS. Để
cải thiện về hiệu suất bức xạ và băng thông AĐKBS điện tử sử dụng các anten phần
tử đơn cực hoặc anten lưỡng cực dạng dây [38], [54-55], vấn đề gặp phải vẫn là cấu
trúc AĐKBS không phẳng gây khó khăn khi tích hợp hệ thống đồng thời búp sóng
của AĐKBS bức xạ ngang theo hai hướng ngược nhau của cùng một phương làm hệ
thống định vị phải thêm một màn hấp thụ hoặc phản xạ điện từ trường khi chúng đặt
gần tường hoặc vách ngăn nhằm tránh tín hiệu đa đường gây nên [44].
Luận án nghiên cứu đề xuất, anten phần tử mạch in từ đó thiết kế AĐKBS có búp
sóng hẹp theo phương quét, dễ dàng tích hợp với bộ dịch pha, AĐKBS mảng pha có
cấu trúc dễ tích hợp vào hệ thống, ngoài ra mang lại hệ số tăng ích cao, hiệu suất
bức xạ cao, băng thông rộng giúp phù hợp cho các công nghệ hay các chuẩn vô
tuyến hiện hành.
Ba là, nghiên cứu phát triển AĐKBS phân cực tròn, cải thiện băng thông, hiệu suất
bức xạ, hệ số tăng ích và chất lượng phân cực tròn giúp nâng cao hiệu năng của
AĐKBS cho hệ định vị vô tuyến trong nhà khi đối tượng thay đổi hướng liên tục.
Trong các hệ thống định vị đơn trạm, AĐKBS tích hợp trong hệ thường là AĐKBS
chuyển búp. Các nghiên cứu [40], [54], [56-58] có chung đặc điểm chính: là các
AĐKBS chuyển búp, các búp có thể quét 360° theo phương ngang, loại chuyển búp sử
dụng anten đơn phân cực tuyến tính [54], [56-58] hay phân cực tròn [40], có hướng bức
xạ ngang so với phần tử bức xạ do đó trong khi triển khai hệ thống định vị, các anten
loại này phải được đặt nằm ngang với vùng định vị. Cấu hình lắp đặt này làm hệ thống
bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi có vật cản chắn ngang hoặc đi qua, đồng thời trạm gắn
anten phải đặt giữa phòng gây bất tiện trong sử dụng hằng ngày và thu

6

tín hiệu của trạm bị hạn chế ở khu vực cao hoặc thấp hơn so với mặt phẳng đặt
anten. Khắc phục nhược điểm này, hệ đơn trạm thường được gắn trên trần nhà mang
lại ưu điểm như tiện lợi trong sử dụng và lắp đặt hệ thống, hạn chế hiện tượng đa
đường. Các nghiên cứu [39], [41], [59-60] chủ yếu dựa trên anten phần tử tấm với
băng thông hẹp, hiệu suất bức xạ thấp, hệ số tăng ích không cao, tuy nhiên anten
phần tử có đặc tính phân cực tròn nên thu được chất lượng tín hiệu tốt [61]. Trong
đó, [59-60] đề xuất AĐKBS phân cực tròn sáu búp độ rộng 50°÷60° với kết cấu sắp
xếp thành hình bán cầu, anten phân cực tròn trái và phải. Hệ số tăng ích của anten
thấp từ 1,46 đến 1,87dBi, mặt khác đồ thị bức xạ của AĐKBS không bao quát hết
360°. Trong công bố [52], L.Brás đề xuất AĐKBS chuyển búp Hive5 gồm năm phần
tử anten tấm được thiết kế ở dải tần 2,43÷2,57GHz, anten tấm phần tử kết hợp đế
o

o

bằng đồng làm tăng ích của anten lên tới 5,3÷5,7dBi, độ rộng búp sóng 69 ÷72 với
6 phần tử có thể anten phần tử phân cực tròn trong dải 2,45÷2,56GHz.
Luận án sẽ nghiên cứu đề xuất anten phần tử phân cực tròn có chất lượng cao về
hiệu suất, băng thông cũng như hệ số tăng ích và chất lượng phân cực tròn, từ đó
thiết kế AĐKBS chuyển mạch búp sóng phân cực tròn. Tiến hành các thử nghiệm để
đánh giá hiệu quả của anten đề xuất.

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
-

Nghiên cứu và đề xuất mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng
AĐKBS nhằm nâng cao chất lượng định vị.

-

Nghiên cứu và đề xuất AĐKBS mảng pha có búp sóng hẹp (dạng dải quạt), dễ
chế tạo, cải thiện các tham số như: hệ số tăng ích và hiệu suất, ứng dụng cho
hệ thống định vị vô tuyến trong nhà.

-

Nghiên cứu và đề xuất AĐKBS chuyển búp phân cực tròn cải thiện: hệ số
tăng ích, hiệu suất, băng thông, chất lượng phân cực tròn, dễ chế tạo, ứng
dụng cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà
Đối tượng nghiên cứu:
- Các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS. Áp dụng các
phương pháp định vị dấu vân tay, giao góc và giao khoảng cách dựa trên
tham số RSS và AoA.
- Các cấu trúc anten lưỡng cực mạch in, dễ dàng thay đổi được độ rộng búp
sóng, hiệu suất cao, băng thông rộng, dễ chế tạo.

7


- Anten phân cực tròn dựa trên kỹ thuật quay liên tục. Đặc điểm góc phân cực
tròn rộng, băng thông phân cực tròn rộng.
- Anten điều khiển búp sóng mảng pha dạng dải quạt và anten điều khiển búp
sóng chuyển búp phân cực tròn cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà.
Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong những vấn đề sau:
- Nghiên cứu hệ thống định vị vô tuyến trong môi trường hẹp sử dụng AĐKBS
dựa trên hai tham số vị trí là RSS và AoA. Sóng vô tuyến dải tần ISM do tính
phổ biến trong nhà của một trong các công nghệ không dây hiện nay: Wi-Fi,

Zigbee hoặc Bluetooth.
- Nghiên cứu các đặc tính của anten lưỡng cực mạch in về giản đồ bức xạ, hiệu
suất bức xạ, băng thông, mạng tiếp điện và thiết kế anten mảng.
- Nghiên cứu anten mảng phân cực tròn.
- Nghiên cứu AĐKBS mảng pha tích hợp bộ dịch pha dựa trên ma trận Butler.
Sử dụng cho hệ thống định vị vô tuyến trong môi trường hẹp nhằm nâng cao
hiệu quả của hệ thống.
- Nghiên cứu anten điều khiển búp sóng chuyển búp cho hệ thống định vị vô
tuyến trong môi trường hẹp cấu hình đơn trạm. Có khả năng phủ được toàn
bộ vùng định vị.
- Dải tần số nghiên cứu: 2,45GHz; 5GHz; 5,8GHz.

4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận:
- Đưa ra những đề xuất có giá trị khoa học trong việc thiết kế anten mảng pha
và anten phân cực tròn kiểu mạch in.
- Góp phần phát triển các giải pháp thiết kế AĐKBS kiểu tương tự, có các đặc
tính và cấu trúc phù hợp cho các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà.
- Góp phần phát triển hai mô hình định vị vô tuyến trong nhà với sai số nhỏ
nhờ sử dụng AĐKBS.
Về thực tiễn:
Các AĐKBS công nghệ mạch in đã đề xuất dễ dàng chế tạo trong nước, tương
thích với dải tần các thiết bị không dây phổ biến hiện nay. Nhờ việc sử dụng các
AĐKBS góp phần nâng cao chất lượng hệ thống định vị trong nhà, đề tài có khả
năng triển khai thực tiễn trong các ứng dụng như phòng điều trị bệnh thông minh
hoặc nhà thông minh với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam.
8


5. Những đóng góp chính của luận án

Những đóng góp khoa học của luận án gồm:
1. Đề xuất các anten điều khiển búp sóng
- AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt hẹp bốn búp tại tần số 2,45GHz và
tám búp tại tần số 5GHz.
- AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt rộng bốn búp tại tần số 2,45GHz.
- Đề xuất anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn tại tần số 5,8GHz
2. Đề xuất các hệ thống định vị trong nhà:
- Hệ thống định vị ba trạm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, các trạm tích hợp
AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt hẹp.
- Hệ thống định vị đơn trạm tích hợp AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt
rộng hoặc tích hợp AĐKBS chuyển búp phân cực tròn.

6. Cấu trúc nội dung của luận án
Luận án bao gồm ba chương, chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống định vị vô
tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS với chi tiết các cấu hình và kỹ thuật định vị. Trong
chương 2 của luận án, chi tiết các thiết kế anten mạch in và AĐKBS mảng pha búp
sóng có dạng dải quạt hẹp phục vụ cho hệ thống định vị ba trạm ứng dụng cho các
không gian định vị rộng được trình bày. Các phương pháp thiết kế này đều có thể được
sử dụng lại để thực hiện thiết kế anten tại các tần số quan tâm khác. Tiếp theo, chương
3 đề xuất AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt rộng và hệ thống định vị đơn trạm sử
dụng hai AĐKBS mảng pha dải quạt rộng. Để nâng chất lượng cho hệ định vị, áp dụng
cho các đối tượng thay đổi hướng liên tục, luận án đề xuất AĐKBS chuyển búp phân
cực tròn và hệ thống định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp phân cực tròn.
Phần cuối cùng của luận án là kết luận và hướng phát triển của đề tài.

9


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ
TUYẾN TRONG NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP

SÓNG
Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ thống định
vị đối tượng trong nhà dựa trên sóng vô tuyến nói chung và hệ thống định vị vô tuyến
trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng nói riêng. Có nhiều cách tiếp cận hay
phân loại hệ thống định vị khác nhau: theo cấu hình hệ thống [62-64], theo tham số vị
trí [65]; theo phương pháp định vị: giao góc, giao khoảng cách, dấu vân tay và xấp xỉ
lân cận [10], [37], [66] hoặc phân loại chi tiết theo tham số vị trí và phương pháp định
vị như [67]. Do đó, chương này sẽ trình bày cơ sở về hệ thống định vị vô tuyến trong
nhà như: cấu hình hệ thống định vị, các khối chức năng của hệ thống định vị, các kỹ
thuật định vị bao gồm tham số vị trí, phương pháp, thuật toán định vị dựa trên sóng vô
tuyến đã được sử dụng trực tiếp trong luận án này. Các mô hình truyền sóng trong nhà
cũng được phân tích và đề cập trong mục này. Phần cuối của chương trình bày về
anten, nguyên lý anten mảng và anten điều khiển búp sóng tích hợp trong mạch đo
tham số vị trí sử dụng trong hệ thống định vị vô tuyến.

1.1. Tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà
Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền thống
Một trong những nghiên cứu đầu tiên về định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến
phải kể đến hệ thống cảnh báo tự động vị trí của người dùng DALS, được nghiên
cứu vào những năm 1993 tại Canada [16]. Đây là hệ thống cảnh báo tự động dành
cho các quản ngục trong trại giam, có khả năng báo động, xác định vị trí của quản
ngục khi gặp sự cố. Hệ thống làm việc ở dải tần VHF và UHF sử dụng mô-đun phát
của Cisco, dựa trên tham số RSS để xác định vị trí. Hệ thống sử dụng phương pháp
tam giác đạc dựa trên ba nút cảm biến để định vị trong vùng 3048m đạt sai số định
vị 6,1m.
Tiếp theo là nghiên cứu đã được thương mại của Jay Werb người Mỹ và nhóm
nghiên cứu của PinPoint Corp, tác giả hệ PinPoint 3D-iD được áp dụng cho bệnh nhân
trên xe lăn và trên cáng trong các bệnh viện, dựa trên phương pháp giao khoảng cách,
tham số vị trí TDoA [24]. Hệ thống có khả năng định vị 2D hoặc 3D, với định vị 1D ở
khu vực hành lang 30m có độ chính xác khoảng 1÷ 3m. Tuy nhiên, hệ thống

10


yêu cầu cài đặt cơ sở hạ tầng có giá thành cao, nhiều trạm, thực hiện theo chuẩn
IEEE802.11, có nhiều nhiễu chưa xử lý được [68-69].
Năm 2000, trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto phối hợp với các nhà nghiên cứu
của trường đại học Washington đã ra mắt hệ thống định vị SPOT ON dựa trên công
nghệ nhận dạng vô tuyến (RFID) thẻ chủ động tại triển lãm UW-CSE khoa học máy
tính của trường đại học Washington tại Mỹ [25]. Hệ thống triển khai với phương pháp
giao khoảng cách dựa trên tham số vị trí RSS, sai số đạt ~3m trong vùng định vị phòng.
Tương tự như SPOT ON, năm 2003 LANDMARC dựa trên công nghệ thẻ tích cực
2

RFID [26]. Hệ thống triển khai trong không gian phòng 36 m gồm 4 đầu đọc, 16 thẻ
tham chiếu và 8 thẻ thử nghiệm. Hệ thống thực hiện theo phương pháp dấu vân tay, kết
quả cho thấy độ chính xác được cải thiện, sai số chỉ còn 1 ÷ 2m.

Hệ thống RADAR ra đời năm 2001, ưu điểm giá thành thấp dựa trên cơ sở hạ
tầng và những thiết bị có sẵn, sử dụng chuẩn IEEE 802.11 của mạng không dây cục
bộ LAN [27]. Hệ thực hiện cả phương pháp dấu vân tay và phương pháp giao
khoảng cách sử dụng tham số RSS. Thực nghiệm gồm năm trạm và được triển khai
trên hành lang với không gian 43×22 m. Phương pháp dấu vân tay đạt sai số 2 ÷ 3
m, phương pháp giao khoảng cách đạt 4,3 m [70]. Tuy nhiên, kết quả trên là thực
nghiệm bên ngoài hành lang của 1 sàn, hệ sẽ bị ảnh hưởng khi triển khai nhiều sàn.
Nghiên cứu chưa xét đến nhiễu của các nguồn khác cũng như sự biến động của cơ
sở dữ liệu khi đối tượng di động, môi trường thay đổi [25], [68], [70].
Năm 2003, hệ thống định vị Horus do phòng thí nghiệm MIND của trường đại
học Maryland của Mỹ ra đời và sử dụng chuẩn IEEE802.11b. Hệ thống thực nghiệm
trên một sàn không gian 24,8 × 68,2 m với bốn trạm. Hệ thống sử dụng phương

pháp dấu vân tay dựa trên tham số RSS với thuật toán ước lượng vị trí dựa trên xác
suất thống kê sử dụng công thức Bayes, sai số hệ thống đạt 2,1 m tốt hơn so với hệ
thống RADAR [28], [71].
Ekahau là một trong những hãng nổi tiếng khắp thế giới về hệ thống định vị trong
nhà, trụ sở được đặt ở nhiều nơi như: Mỹ, Phần Lan, Nhật Bản. Hệ thống định vị
Ekahau bắt đầu nghiên cứu từ những năm 2000 đến nay, hiện hệ thống được thương
mại hóa trong rất nhiều các lĩnh vực như: bệnh viện, công nghiệp chế tạo, bán hàng,
logistics,…chiếm hàng triệu đô la riêng thị trường Bắc Mỹ vào năm 2012 [72]. Năm
2000 phát triển hệ thống định vị dựa trên mạng cảm biến không dây, từ những năm
2002, hệ thống định vị dựa trên công nghệ Wi-Fi liên tục được kế thừa và phát triển
đến nay. Những phiên bản sau kết hợp đa công nghệ như hồng ngoại, tín hiệu âm
thanh, hình ảnh, RFID và công nghệ Bluetooth. Các thiết bị truyền nhận có tính chất
11